DDR的前世與今生

　　DDR SDRAM全稱為Double Data Rate SDRAM，中文名為“雙倍數(shù)據(jù)率SDRAM”。DDR是在原有的SDRAM的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，嚴(yán)格的說(shuō)DDR應(yīng)該叫DDR SDRAM，人們習(xí)慣稱為DDR。

　　說(shuō)到這里，很多人可能會(huì)問(wèn)SDRAM、DRAM、SRAM或者RAM、ROM到底是什么鬼，怎么區(qū)別的？小編還是來(lái)簡(jiǎn)單普及下關(guān)于存儲(chǔ)的基礎(chǔ)知識(shí)吧。

　　ROM和RAM指的都是半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，ROM是只讀存儲(chǔ)器（Read-Only Memory）的簡(jiǎn)稱，是一種只能讀出事先所存數(shù)據(jù)的固態(tài)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，其特性是一旦儲(chǔ)存資料就無(wú)法再將之改變或刪除。通常用在不需經(jīng)常變更資料的電子或電腦系統(tǒng)中，資料并且不會(huì)因?yàn)殡娫搓P(guān)閉而消失。RAM是Random Access Memory的縮寫(xiě)，即隨機(jī)存儲(chǔ)器，隨機(jī)是指數(shù)據(jù)不是線性依次存儲(chǔ)，而是自由指定地址進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)，通俗來(lái)說(shuō)就是可以以任何順序訪問(wèn)，而不管前一次訪問(wèn)的是哪一個(gè)位置。ROM在系統(tǒng)停止供電的時(shí)候仍然可以保持?jǐn)?shù)據(jù)，而RAM通常都是在掉電之后就丟失數(shù)據(jù)，典型的RAM就是計(jì)算機(jī)的內(nèi)存。

　　RAM又分兩大類，一種稱為靜態(tài)RAM（Static RAM/SRAM），是一種具有靜止存取功能的內(nèi)存，不需要刷新電路即能保存它內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)加電情況下，不需要刷新，數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。SRAM速度非常快，是早期讀寫(xiě)最快的存儲(chǔ)設(shè)備了，但是SRAM也有它的缺點(diǎn)，即它的集成度較低，相同容量的內(nèi)存需要很大的體積，且功耗較大；同時(shí)它也非常昂貴，所以只在要求很苛刻的地方使用，譬如CPU的一級(jí)緩存，二級(jí)緩存。另一種稱為動(dòng)態(tài)RAM（Dynamic RAM/DRAM），DRAM 只能將數(shù)據(jù)保持很短的時(shí)間，為了保持?jǐn)?shù)據(jù)，DRAM使用電容存儲(chǔ)，所以必須隔一段時(shí)間刷新（refresh）一次，如果存儲(chǔ)單元沒(méi)有被刷新，存儲(chǔ)的信息就會(huì)丟失（關(guān)機(jī)就會(huì)丟失數(shù)據(jù)）；它的速度也比SRAM慢，不過(guò)它還是比任何的ROM都要快，但從價(jià)格上來(lái)說(shuō)DRAM相比SRAM要便宜很多，計(jì)算機(jī)內(nèi)存就是DRAM的。

　　SDRAM又是在DRAM的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，同時(shí)也是屬于DRAM中的一種。SDRAM即Synchronous DRAM，同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，同步是指 Memory工作需要同步時(shí)鐘，內(nèi)部命令的發(fā)送與數(shù)據(jù)的傳輸都以它為基準(zhǔn)；

　　DDR SDRAM又是在SDRAM的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，這種改進(jìn)型的DRAM和SDRAM是基本一樣的，不同之處在于它可以在一個(gè)時(shí)鐘讀寫(xiě)兩次數(shù)據(jù)，這樣就使得數(shù)據(jù)傳輸速度加倍了。這是目前電腦中用得最多的內(nèi)存，而且它有著成本優(yōu)勢(shì)。

　　也就是說(shuō)我們現(xiàn)在使用的DDR SDRAM其實(shí)就是屬于DRAM的一種，在一些內(nèi)存顆粒的廠家通常會(huì)把DDR SDRAM劃分到DRAM分類里面，如下圖一所示。

圖一

　　當(dāng)然DDR還會(huì)根據(jù)它的不同應(yīng)用分成其他的類型，如GDDR主要用于圖形處理，LPDDR主要用于低功耗等移動(dòng)消費(fèi)性電子，但萬(wàn)變不離其宗，他們都是基于DDR的一些原理演變而來(lái)，根據(jù)大家的要求我們后續(xù)也會(huì)有專門的話題來(lái)介紹GDDR以及LPDDR。如下是另一家內(nèi)存廠商根據(jù)不同應(yīng)用市場(chǎng)的分類：

圖二

　　看了前面的一些介紹，大家是否對(duì)我們今天的主人公DDR的前世有了一些認(rèn)識(shí)？那么問(wèn)題來(lái)了，那么SDRAM和DDR SDRAM到底有哪些區(qū)別，等長(zhǎng)怎么控？請(qǐng)從速率和PCB設(shè)計(jì)的角度來(lái)分析。

　　SDRAM與DDR SDRAM

　　SDRAM是比較久遠(yuǎn)的事情了，但我們一說(shuō)到它肯定不會(huì)和DDR混淆，我們通常理解的SDRAM其實(shí)是SDR SDRAM，為SDRAM的第一代，而DDR1則為第二代，乃至到我們現(xiàn)在使用的DDR4，其實(shí)為第五代SDRAM，在此需要澄清一下。

　　他們的本質(zhì)區(qū)別就是周期操作方式（也稱時(shí)鐘采樣）的差異，這就導(dǎo)致后面設(shè)計(jì)上很大的不同。SDR都是“單數(shù)據(jù)傳輸模式”，這種內(nèi)存的特性是在一個(gè)內(nèi)存時(shí)鐘周期中，在一個(gè)波形上升沿時(shí)進(jìn)行一次操作（讀或?qū)懀?，而DDR則引用了一些新的設(shè)計(jì)及技術(shù)，其在一個(gè)內(nèi)存時(shí)鐘周期中，在波形上升沿時(shí)進(jìn)行一次操作，在方波的下降沿時(shí)也做一次操作，相當(dāng)于在一個(gè)時(shí)鐘周期中，DDR則可以完成SDR兩個(gè)周期才能完成的任務(wù)，所以理論上同速率的DDR內(nèi)存與SDR內(nèi)存相比，性能要超出一倍，可以簡(jiǎn)單理解為100MHZ DDR=200MHZ SDR。

　　至于SDR在設(shè)計(jì)上等長(zhǎng)應(yīng)該如何考慮，我想這個(gè)可能是大家最感興趣的問(wèn)題了，雖然SDR的應(yīng)用已經(jīng)不多了，但還是經(jīng)常有人會(huì)來(lái)問(wèn)我們，下面采用個(gè)人覺(jué)得比較好的網(wǎng)友答復(fù)給大家也來(lái)個(gè)參考。

　　二羔子網(wǎng)友說(shuō)：“雖然都叫同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，但是在技術(shù)上有很大差別，sdram屬于第一代ram，ddr-sdram屬于第二代ram，運(yùn)用的是double data rate和預(yù)存取技術(shù)，傳輸速率是第一代的兩倍以上。在layout時(shí)，sdram甚至不用做等長(zhǎng)，高性能要求除外。”

　　山水江南網(wǎng)友說(shuō)：“Sdram是共同時(shí)鐘同步，數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)不用等長(zhǎng)，但有最長(zhǎng)的要求，所以走線盡可能的短?！?br />
　　還有其他的一些網(wǎng)友也有類似的觀點(diǎn)，我們比較同意這種說(shuō)法，正常來(lái)說(shuō)如果SDR頻率在100MHz以下，等長(zhǎng)范圍可以較大，相對(duì)來(lái)講都可以不用刻意去控了，而如果頻率超過(guò)100MHz以上，在PCB設(shè)計(jì)上就需要特別注意了，可以通過(guò)一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)序仿真來(lái)計(jì)算等長(zhǎng)，我們的經(jīng)驗(yàn)法則是盡量控制所有信號(hào)的長(zhǎng)度，在可控的情況下最好是長(zhǎng)度不超過(guò)3inch。這個(gè)在高速先生前期的文章時(shí)序設(shè)計(jì)里面有說(shuō)到，在此就不再解釋了。

　　好了，現(xiàn)在正式回到我們的DDR時(shí)代，如下圖一是SDR到DDR4的近似發(fā)展路線及速率圖。

 DDR發(fā)展路線及速率圖

　　內(nèi)存的傳輸速度得以快速提升，除了芯片制造工藝的進(jìn)步之外，關(guān)鍵的技術(shù)就是雙倍數(shù)據(jù)速率以及預(yù)存取。實(shí)際上內(nèi)存的內(nèi)核頻率基本上是保持一致的，都是100MHz到200MHz之間。一般認(rèn)為200MHz的內(nèi)存內(nèi)核頻率是當(dāng)前技術(shù)的極限（超頻除外）。DDR技術(shù)使數(shù)據(jù)傳輸速度提升了一倍，如下圖所示， DDR在時(shí)鐘信號(hào)上、下邊沿同時(shí)采樣數(shù)據(jù)。這樣如果同樣是200MHz的時(shí)鐘，DDR可以達(dá)到400Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速度。

圖四 DDR的時(shí)序

　　預(yù)存取技術(shù)則有效提升了芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸速度。預(yù)存?。≒refetch）增加了DDR存儲(chǔ)陣列的位寬，如圖五所示是DDR2和DDR3的預(yù)存取過(guò)程，可以看到，因?yàn)轭A(yù)存取從4比特提升到了8比特，所以相同的總線頻率和數(shù)據(jù)率下，DDR3的核心頻率是DDR2的一半。核心頻率降低，可以減小功耗，減少發(fā)熱量，提升內(nèi)存工作穩(wěn)定性。而同樣的內(nèi)存核心頻率下，DDR3的總線頻率和數(shù)據(jù)率是DDR2的一倍。

圖五 DDR2和DDR3的預(yù)存取過(guò)程

　　前面說(shuō)到了SDR和DDR的區(qū)別，那么DDR不同代之間的區(qū)別又是什么呢？即DDR的后一代相對(duì)于前一代的關(guān)鍵技術(shù)突破在哪里（DDRI到DDR4）？